WIIKI.RU: Решать математические задачи будет калькулятор на метаматериалах

Математикой называется наука о структурах, отношениях и порядке, которая исторически сложилась на основе совершаемых операций подсчета, описания и измерен... читать далее »

Новости Математики

14.01.2014 12:25

Решать математические задачи будет калькулятор на метаматериалах. Математика.

При проведении оптических экспериментов и создании различных разработок для военных учёные обращаются к метаматериалам.

Это необычные материалы с искусственно заданными свойствами. Они обладают сложными внутренними структурами, размеры которых меньше, чем длина волны света. Благодаря этому они способны искривить и перенаправить излучение несвойственным обычным материалам образом.

Наиболее часто из подобных материалов конструируют так называемые "шапки-невидимки": из-за способности материала изменять направление движения света объекты, находящиеся в "шапке" кажутся невидимыми внешнему наблюдателю.

Теперь уникальные свойства метаматериалов физики решили использовать для других целей. Надер Энгета (Nader Engheta), инженер из университета Пенсильвании, вместе со своими коллегами решил сконструировать "калькулятор, изгибающий свет".

Если в блок из метаматериалов входит световая волна "задача", то выходит она в форме её "решения" (иллюстрация Alexandre Silva).

На сегодняшний день цифровые компьютеры работают благодаря переключателям-транзисторам, однако их предшественники, аналоговые вычислительные машины функционировали за счёт комбинации электрических и механических свойств.

Аналоговые компьютеры были крайне ограничены в своих способностях из-за небольшого диапазона доступных материалов. Движущиеся части, к примеру, были ограничены минимальным размером, которого полвека назад можно было достичь. Но работающие со светом современные метаматериалы ни в чём не ограничены. Энгета и его команда смоделировали на компьютере такой материал, который будет способен выполнять различные математические функции, от сложения и вычитания до интегрирования и дифференцирования.

Работа аналогового компьютера из метаматериалов основана на том, что световая волна может быть представлена в виде математической функции на графике: метаматериал искривляет излучение нужным образом, имитируя зависимость переменных. К примеру, дифференциация света описывает наклон кривой в различных точках, тогда как интеграция описывает площадь под этой кривой.

Надер Энгета, ведущий автор исследования и главный разработчик (фото Alexandre Silva).

Блок из метаматериала проводит высчисления, изменяя световую волну. К примеру, если первоначальная волна представляет собой параболу (y=x2), то при прохождении через метаматериал, производящий дифференциацию, она выйдет в виде прямой функции, описываемой уравнением y=2x.

"Световая волна определённой конфигурации после прохождения через блок из метаматериала принимает профиль той функции, которую мы ожидаем увидеть при проведении математических исчислений", — поясняет Энгета в пресс-релизе.

На данный момент проект находится в стадии компьютерного моделирования. В самом ближайшем будущем учёные планируют создать блок из чередующихся слоёв кремния и алюминия, легированных оксидом цинка. После постройки прототипа можно будет точнее сказать, сработает ли концепция.

Если всё сработает, то подобные устройства можно будет встраивать, к примеру, в корпус объектива фотоаппаратов, для распознавания границ изображения и идентификации образов. Сегодня эти функции выполняются благодаря компьютерным чипам, которые анализируют данные пиксель за пикселем, а метаматериал сможет охватывать всё изображение сразу.

Опубликовав статью в журнале Science, Энгета и его команда уже начали второй этап разработки. Также они консультируются со своими коллегами на предмет других областей применения для столь необычного изобретения.